镁铝水滑石的清洁合成、组成分析及其晶体结构表征同组人：李环、唐彦群、赵晓峰一、实验目的1本实脸采用共沉淀法制备镁铝水滑石；2、利用EDTA络合滴定法测定镁铝水滑石样品中Mg2+和AI3+的含量；3、热分析法确定镁铝水滑石样品中的结构水含量：并通过红外、X粉末衍射表征晶体结构。二、实验原理2、合成材料可交换性，通过离子交换可在层间嵌入不同的基团。层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides,简称LDHs)是一类阴离子型粘土，又称类水滑石，其组成 通式为：M(II)i4(III)x(0H)2广乓/器 mH2O,其中M (II)是二价金属离子，M(lll)是三价金属离子，A是阴 离子，x=M(lll)/M(ll)+M(lll), 0.2火0.33。典型的类水滑石化合物为镁铝水滑石:Mg6Al2(OH)16CO34H2O。 层极具有水镁石Mg(OH)2层中的+部分地被M处取代，形成h/T与位于中心的复合氢氧化物八面体， 这些八面体通过边-边共用0H基团形成层，层板厚度约0.47nm,层与层对顶叠加，层间以氢键连接。由于 “2+部分地被M卄取代，导致疑基层上正点电荷的枳累，这些正电荷被位于层间的中和。层间阴离子具有ho ft guert hod水滑石Mg6Al2(OH)16CO3*4H2O加热到一定温度要发生分解，热分解过程包括脱层河水、层间碳酸根离子、 层板起基脱水(层状结构被破坏)和新相生成等步骤。在空气中低于200C时，仅失去层间的水分，而对结 构没有影响：当加热到250-450C时，则层板径基脫水，伴随着CO分解：加热到450“500C后，脱水比较 完全，C03?-以CO?形式完全脱出，最后剩余物是Mg6Al2O8(OH)2/称为镁铝复合氧化物。目前制备水滑石类化合物通常采用共沉淀法，其合成路线为：(1) MgCl2+AlCl3+NaOH+Na2CO3 Mg6Al2(OH)16CO3-4H2O+NaCl(2) Mg(NO3)2+Al(NO)3+NaOH+Na2CO3Mg6Al2(OH)16CO3-4H2O+NaNO3(3) MgSO4+Al2SO4+NaOH+Na2CO3Mg6Al2(OH)16CO3-4H2O+Na2SO4该类合成路线在反应中消耗人屋的NaOH,这些NaOH与原料中Cl-、NO3-或SO42-反应,生成低价值的NaCl、 NaNO3或Na2SO4而人量排出，一方面成本相对较高，另一方面造成坏境污染。近年来环境保护口益受到 重视，清洁合成技术是发展的必然趋势。本实验即3采用清洁合成路线制备镁铝水滑石，该方法是以MgO与铝酸钠水溶液混合反应生成水滑石，反 应后滤液可全部回收，用于下一批合成物料，无高浓度废液排放，是坏境友好过程。同时对合成的镁铝水 滑石采用X射线粉末衍射法对物质结晶态及晶体结构进行分析，采用红外光谱推测未知分子中官能团的种 类，采用络合滴定法，用EDTA滴定样样品(和残留液)A产组成，利用热分析法确定产物中结构水 含量。2、材料表征利用EDTA络合滴定法测定镁铝水滑石样品中IVIg2+和AI3+的含量热分析法确定镁铝水滑石样品中的结构水含量根据组成通式：MdlhJ/KlIlUOHb广乓/厂mH2。，即可确定所合成样品的组成通过红外、X粉末衍射表征 晶体结构3、TG/DTA热分析法水滑石Mg6Al2(OH)16CO3-4H2O加热分解过程包括两个过程：(1) 低于200C时，仅失去层间的水分，而对结构没有影响；(2) 当加热到250450C时，则层板疑基脱水，伴随着CO32-分解，层状结构破坏；最后剩余物是Mg6Al2O8(OH)2 ,称为镁铝复合氧化物。三、实验仪器和试剂实验装置：制备镁铝水滑石的主要装置如图所示。仪器：电动搅拌器，加热套，回流冷凝管，温度计，500ml三门圆底烧瓶，酸、碱滴定管各一支，北京光学 仪器厂PCT-2A型差热天平，NICOLET60SXB FTIR型红外光谱仪等。试剂：MgO(AR), NaOH(AR), Al(OH)3(AR),无水 Na2CO3(AR), ZnO(AR), EDTA(AR),三乙醇胺(AR),氯化钱 氨水和乙酸钠-乙酸缓冲液，盐酸，馅黑和二甲酚橙指示剂等。四、实验步骤1、镁铝水滑石的清洁合成称取10.4gAl (OH) 3和12gNaOH,放入烧杯中，加入125ml的去离子水，加热至溶液沸腾，以制备铝酸 盐溶液。另称取4.3gNa2CO3和7.5gMgO加入到烧杯中，充分搅拌，式混合均匀。测定混合溶液的Ph值 约为11-12,把混合溶液倒入500ml的三II瓶中，在充分搅拌、回流冷凝的条件卞，反应6h,然后抽滤， 水洗，70C干燥24h,然后研磨。2、产物中的Mg2+. AI3+含量的测定采取络合滴定法，用EDTA滴定样品(和残留液)Mg2+、AI3+组成，具体过程如下称取水滑石样品l.Og, 用MHCI溶解后，配成待测溶液。(1) IVIg2+的测定：移取25.00mL溶液到锥形瓶中，加入过量三乙醇胺溶液将AI3+充分络合，在加入氯 化後-氨水缓冲溶液，调节pH值约为20,铭黑T作为指示剂，溶液呈紫红色。用已标定的EDTA标 准也滴定溶液，只知其变为纯蓝色为止。平行三次，记录用去的溶液体枳，取平均值计算Mg2+的 含量。(2) AI3+的测定：移取25.00ml的溶液到锥形瓶中，加入过量的EDTA标准液，煮沸lmin,冷去后加入 乙酸钠-乙酸缓冲溶液，调节pH约为6,二甲酚橙作为指示剂，用Zn2+标准液滴定溶液至浅粉红色。 平行三次，记录用去的Zn2+溶液的体积，取平均值计算AI3+的含量。(3) 由Mg2+、AI3+含量计算Mg与Al摩尔比值。3、产物中结构水含量的测定利用热分析法确定产物中结构水含量。采用差热天平，选择升温速率10 C/min, DTA量程为50p V,记 录样品在室温600 C范围的TG-DTA曲线，确定200 C以下失重百分比，即为层间水含量。4、IR表征KBr压片（样品:KBr=l:100）,记录镁铝水滑石样品在4000-200/cm范围的吸收谱图。五、实验结呆和讨论123平均VZn标凉泌mL25.3225.4125.3725371.EDTA的标定CeDTA=Cz7?2+2 +VedtaO.OlmolLx25.37mL=O.OlOlmol/L123平均Vedta/hiL21.6321.6121.5821.6125.OOm L2.Mg2+含量的测定i】Mg2+ = hedta = cedta Vedta,i = 01（m）1 * 21.61mL=2.183X 104mol其中,3.A产含量的测定122平均VZn标凉泌mL11.6611.7211.6411.67edta（与 Al3+ l j络合）/mol2.874 X IO42.868 X IO42.876 X IO42.873 X IO4nAI3+/mol0.691 X IO40.683X1040.691 X IO40.688 X IO4“EDTA （与 A13+与 Mg2+络合）=X CEDTA VZii 标准液 X CZii 标准液nAl3+ =】EDTA （与 A13+与 Mg2+络合）-nMg2 +综上得:nAl3 +3.172.183 X10-4=0.688 X 10 - 44 差热分析6 8T0-I I I I I I I I -12050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700Y Axis TitCD6040200-20-40-60-80-100-100 -50 6ColunmName=TE (C)050C峰，脱去层间水；15025OC峰，脱去aV250450C 峰,脱去 OH。5R表征(IR图见最后)红外吸收峰波数/cm1-OH伸缩振动3353.77h2o-co32-间氢键H20弯曲振动1634.45CO3I对称伸缩振动1396.78CO3?-伸缩振动1107.42M-0键伸缩振动792.40M-0键弯曲振动449.02六、思考题1本实验的副产物为NazSOy与剩余的反应物混合并作为滤液被滤出后，不能直接用于下一次的产品合成， 提纯回收的成本较高。用MgO与铝酸钠水溶液混合反应生成水滑石，反应后滤液可全部回收，用于下一批合 成物料，无高浓度废液排放，是环境友好过程。2.镁铝水滑石的TG-DTA曲线中有3个失重台阶，对应的分解过程为：(1) 050C峰,脱去层间水；(2) 150-250C峰，脱去 CO32；(3) 250450C峰，脱去 OH。3未进行XRD表征。